不同石粉含量對水工混凝土絕熱溫升的試驗研究

陳業(yè)廣

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

0 引 言

隨著混凝土材料的廣泛而大量的使用，為緩解天然砂石料稀缺問題越來越多的工程使用人工砂配制混凝土[1]。然而，在人工砂制備過程中生產(chǎn)系統(tǒng)必然會產(chǎn)生許多的石粉，而這些細顆粒(粒徑<0.16mm)對混凝土耐久性、體積穩(wěn)定性和力學性能等都會帶來極大影響[2-5]。目前，對人工砂中的石粉含量各行業(yè)標準規(guī)定了不同范圍，如《人工混凝土施工規(guī)范》規(guī)定水利水電工程領(lǐng)域人工砂石粉含量不宜超過6%-18%，但實際使用時的石粉含量一般都超過該標準。為了減少石粉含量，工業(yè)生產(chǎn)一般選用風選收塵或水洗法除去石粉，該過程不僅會造成砂資源的浪費以及原有顆粒級配的破壞，而且會導致生態(tài)環(huán)境的破壞和企業(yè)生產(chǎn)負擔的加重[6-7]。

因此，為解決混凝土各項性能受人工砂中石粉含量的影響問題，國內(nèi)諸多學者通過室內(nèi)試驗做了大量研究，并取得豐碩的成果[8-10]。然而，現(xiàn)有文獻大多側(cè)重于結(jié)構(gòu)的宏微觀變化和混凝土力學模型研究，未能解釋混凝土絕熱溫升隨不同石粉含量的變化機制，特別是人工砂石粉含量較高時對混凝土溫升變化速率及其內(nèi)部溫升峰值大小的規(guī)律。鑒于此，試驗以灰?guī)r人工砂為研究對象，為獲取超規(guī)范規(guī)定的高石粉含量人工砂將一定量的石粉摻入原級配人工砂中，探討混凝土絕熱溫升隨不同石粉含量的變化特征，旨在為合理擬定大體積混凝土現(xiàn)場澆筑方案提供一定技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。

1 試驗方法

1.1 原材料性能

1)水泥。試驗選用渾河P·MH 42.5級中熱硅酸鹽水泥，經(jīng)檢測各項性能指標均符合標準要求，結(jié)果見表1。

表1 水泥基本性能

續(xù)表1 水泥基本性能

2)粉煤灰。以綏中發(fā)電有限責任公司生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰作為礦物摻合料，各性能指標符合Ⅰ級標準要求，檢測結(jié)果見表2。

表2 粉煤灰基本性能

3)粗細骨料。粗骨料選用石粉含量可忽略不計的普通碎石，各項性能指標均符合標準要求，檢測結(jié)果見表3。細骨料選用灰?guī)r碎石經(jīng)砂石生產(chǎn)系統(tǒng)破壞而成的人工砂，原級配人工砂中石粉含量用激光粒子分布儀檢測，結(jié)果顯示原含量為15%；另外，以外摻的方式將細網(wǎng)篩分得到的適量純石粉摻入原人工砂中，從而獲取石粉含量達到30%的人工砂，物理性能檢測結(jié)果見表3。

表3 粗、細骨料基本性能

4)外加劑。試驗選用蘇博特PCA-9聚羧酸高性能減水劑和GYQ-Ⅲ引入氣泡性能穩(wěn)定的高效引氣劑，各項性能指標符合標準要求，見表4。

表4 外加劑基本性能

續(xù)表4 外加劑基本性能

1.2 試驗配合比

1)混凝土配合比。采用二級配C30混凝土進行絕熱溫升試驗，細骨料石粉含量為15%、30%兩種，在不改變外加摻量、水膠比以及砂率等參數(shù)的情況下，設(shè)計要求拌合物坍落度160-200mm，經(jīng)多次試配確定試驗配合比見表5。

表5 混凝土配合比

2)絕熱溫升試驗方法。絕熱溫升試驗嚴格執(zhí)行《水工混凝土試驗規(guī)程》，試驗儀器和設(shè)備選用JRWS-6A熱物理性能綜合測試系統(tǒng)、圓臺形不銹鋼桶成型裝置。試驗流程：①為保證混凝土拌合用料溫度與室溫相同，試驗正式開始前24h將其放置20℃+5℃室內(nèi)環(huán)境；②試驗時要全面檢查相關(guān)設(shè)備，并將高于室溫25℃-30℃的水倒入容器內(nèi)，保持容器上邊沿距離水面約2cm，之后立即移至絕熱室內(nèi)；③根據(jù)試驗配合比配制混凝土并測定拌合物溫度，按上下兩層把拌合物依次裝入容器，振搗密實，該過程中還要將石英玻璃測溫管埋入容器中心，管內(nèi)裝入適量液壓油并蓋上容器上蓋密封，控制以上操作時間不超過30min；④在絕熱室內(nèi)利用系統(tǒng)設(shè)備進行測試，輸入有關(guān)參數(shù)并在測溫管內(nèi)裝入溫度傳感器開始試驗。試驗過程中，控制試樣中心溫度與絕熱室溫度相差不超過±0.1℃，溫度記錄頻次為0.5h/次。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

試驗探討了15%(C30-Ⅰ)和30%(C30-Ⅱ)兩種石粉含量人工砂對混凝土絕熱溫升的影響，見圖1?？紤]到各組數(shù)據(jù)在試驗開展240h后逐漸趨于穩(wěn)定，因此僅列舉了240h前的試驗數(shù)據(jù)進行分析。

(a)絕熱溫升曲線 (b)絕熱溫升變化率曲線

從圖1可以看出，前20h內(nèi)摻不同石粉的混凝土水化放熱均較小，溫度升高5℃左右；水化放熱量在試驗開展20h-100h時段快速增大，溫度升高約35℃；試驗開展100h后，混凝土放熱不斷減少且溫升曲線逐漸穩(wěn)定?？傮w而言，摻15%石粉含量的混凝土絕熱溫升值略高于摻30%的試樣。從絕熱溫升變化率開始急劇增大時間上低石粉含量的C30-Ⅰ較高石粉含量的C30-Ⅱ提前了近4h，并且變化率峰值出現(xiàn)時間也提前了近4h。考慮試驗配合比數(shù)據(jù)，石粉含量較低的C30-Ⅰ單方水泥用量較石粉含量較高的C30-Ⅱ多。因此，時間相同條件下，其水泥礦物參與水化的數(shù)量就較多，水化放熱量較多并使得混凝土絕熱溫升值較高，絕熱溫升峰值達到時間相對較早[11-12]。

2.2 理論計算

絕熱溫升計算值是指水泥水化放熱在完全無熱損耗的理想狀態(tài)下全部轉(zhuǎn)化為溫升后的溫度值，美國學者提出混凝土歷時與絕熱溫升關(guān)系式，并廣泛應(yīng)用于混凝土溫度場計算，其表達式如下：

T=T0(1-e-mt)

(1)

式中：T0為混凝土的絕熱溫升值，℃；e為比熱容，[kJ/(kg·℃)]，e=0.96×103[kJ/(kg·℃)]；m、t代表試驗的確定系數(shù)與時間。一般地，理論計算時以公式(1)為基礎(chǔ)，應(yīng)用公式(2)計算含有礦物摻合料的混凝土絕熱溫升，即：

(2)

式中：T(t)代表混凝土在t齡期的絕熱溫升，℃；C為水泥和摻；F為物用量；k為折減系數(shù)，混凝土摻粉煤灰時取0.25；Q代表水泥水化熱(kJ/kg)；ρ代表混凝土密度，文中取2400kg/m3。

不同齡期不同石粉含量的混凝土絕熱溫升理論值利用公式(2)計算確定，并與實測結(jié)果對比分析，見表6。

表6 絕熱溫升實測值與計算值

不同石粉含量混凝土絕熱溫升誤差值與齡期的變化關(guān)系見圖2，結(jié)果顯示2條曲線保持基本相同的變化規(guī)律，實測值整體<計算值，并且兩者的誤差均隨混凝土齡期的增加逐漸增大。

圖2 混凝土絕熱溫升誤差值與齡期的關(guān)系

具體而言，混凝土絕熱溫升誤差值在齡期70h之前≤5℃，對于早期水化溫升模型具有較好的預(yù)測效果；齡期超過70h后誤差值快速增加，計算值與實測值誤差超出合理范圍，計算精度明顯下降。對比分析發(fā)現(xiàn)，C30-Ⅰ混凝土的絕熱溫升誤差總體>C30-Ⅱ，表明利用式(2)計算的絕熱溫升誤差并不會隨石粉含量的增加而擴大，對于計算預(yù)測高石粉含量混凝土溫升該模型具有較高的精度和可靠度[13-17]。

3 結(jié) 論

1)總體上，不同石粉含量的混凝土絕熱溫升具有相同的變化規(guī)律和趨勢，20h-100h齡期段是混凝土集中放熱期，該時段溫升速度較快，其他時段的放熱較少且溫升較慢。

2)在強度等級不變的情況下，通過調(diào)整原材料摻量、引氣劑、減水劑等技術(shù)措施優(yōu)化混凝土配合比，適當增大人工砂石粉含量使水泥用量略有減少，能夠有效延緩溫升峰值達到時間以及單方混凝土水化放熱總量，有利于防止大體積水工混凝土開裂以及絕熱溫升控制。

3)理論模型的溫升預(yù)測值>實測值，表明水泥用量減少使得理論計算的水化熱偏大，即摻入石粉后的水化熱計算值較高?；炷两^熱溫升誤差值在齡期70h之前≤5℃，對于混凝土絕熱溫升預(yù)測該理論模型均具有較好適用性與可行性。